一般的な特徴
表図1は、oltmannsiellopsis Cpdnaの一般的な特徴を、これまでに完全に配列決定された四つのクロロフィルcpdnaの特徴と比較したものである。 Nephroselmis、クロレラ、PseudendocloniumおよびChlamydomonasのゲノム。 59.5％では、Oltmannsiellopsis cpDNAの全体的なA+TコンテンツはNephroselmis cpDNAのそれに似ていますが、三つの以前に配列されたUTCゲノムのものよりも有意に低いです。 Oltmannsiellopsisゲノムは、151,933bpの環状分子としてマッピングされ(図1)、105個の遺伝子が含まれています。 それぞれが10個の遺伝子をコードする18,510bpのIR配列の2つのコピーは、SC1およびSC2と呼ばれる不等な単一コピー領域によって互いに分離される。 他のUTC cpdnaと同様に、OltmannsiellopsisゲノムはMesostigmaおよびNephroselmis cpdnaよりもコード配列が密集しておらず、59.2％で、コード配列の密度はクロレラおよびPseudendoclonium cpdnaのものと同様である。 Oltmannsiellopsis cpDNAの遺伝子間スペーサーはSDRsを備えており、512bp、Pseudendoclonium cpDNA（600bp）のために観察された値に匹敵する値の平均サイズを持っています。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓｃｐｄｎａにおいて，グループｉファミリーに属する五つのイントロンを同定した。
Oltmannsiellopsisおよび他のクロロフィルcpdnaの遺伝子マップ。 各マップの外側の遺伝子（充填されたボックス）は時計回りに転写されます。 RRNA遺伝子の転写方向は矢印で示される。 黄色、青色および赤色で示される遺伝子は、それぞれ、メソスチグマｃｐＤＮＡ中のＩＲ、ＬＳＣおよびＳＳＣ領域にマップされる。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓマップ上では，OlｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓおよびＰｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍ ｃｐｄｎａのＳＳＣに対応する単一コピー領域に存在するＬＳＣ領域に特徴的な遺伝子をアスタリスクで示す。 Mesostigma cpDNAに存在しない遺伝子は灰色で示されている。 ｔＲＮＡ遺伝子は、１文字のアミノ酸コードに続いて括弧内のアンチコドン（Ｍｅ、ｅｌｏｎｇａｔｏｒ ｍｅｔｈｉｏｎｉｎｅ；Ｍｆ、ｉｎｉｔｉａｔｏｒ ｍｅｔｈｉｏｎｉｎｅ）によって示される。 合計５個のイントロン（開いた箱）が同定され，その中にはOrｆｓ（狭い箱）を特徴とするものもあった。
遺伝子とイントロン含有量
Oltmannsiellopsis cpDNAの遺伝子含有量は、クロレラとクラミドモナスcpdnaの中間体である（表1）。 OltmannsiellopsisとPseudendoclonium cpdnaは同じ数の遺伝子をコードしていますが、これらのゲノムは遺伝子レパートリーがわずかに異なります（表2）。 Oltmannsiellopsis cpDNAは、Pseudendoclonium cpDNAから欠落しているが、ycf62、trnL（caa）とtrnR（ccg）を失っているすべての三つのchl遺伝子を保持しています。 クロレラｃｐＤＮＡと比較して、Ｏｌｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓ、ＰｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍおよびＣｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓのゲノムには、５つの遺伝子、すなわちＣｙｓＡ、ｃｙｓｔ、および３つのｔＲＮＡ遺伝子（ｔＲｎＬ（ｇａｇ）、ｔＲｎＳ（ｇｇａ）およびｔＲｎＴ（ｇｇｕ））のセットが欠落している（表２）。 三つの遺伝子（ycf62、trnL（caa）とtrnR（ccg））の欠如は、一意にOltmannsiellopsisとクラミドモナスcpDNAsによって共有されているが、特定の遺伝子損失はPseudendocloniumとクラミドモナスcpDNAsによって共有されていない。 OltmannsiellopsisとPseudendoclonium cpdnaの両方が他のすべての完全に配列されたクロロフィルcpdnaには存在しないtrnR（ccu）遺伝子を保持しています。
以前に調査されたUTC葉緑体ゲノムと同様に、Oltmannsiellopsis cpDNAにおけるいくつかの遺伝子のコード領域は、それらのメソスティグマ対応物に対して拡張される（表3）。 しかし，Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓの遺伝子拡張の大部分はＰｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍのものよりも広範ではなく，ｃｅｍａのみがそのＰｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍホモログよりも長いコード配列を示す。
Oltmannsiellopsis cpDNAにおける五つのグループIイントロンの我々の発見は、Pseudendoclonium cpDNAで見つかった27グループIイントロンとは急激に対照的である（表1）。 Oltmannsiellopsis cpDNAにおけるイントロンの存在量が低いことは、主にPseudendoclonium cpDNAに比べてこのゲノムのサイズが小さいことを説明しています。 Ｏｌｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓイントロンは、ＩＲ中に見出される３つの遺伝子（ＰＥＴＢ、ＰＳＢＡ、およびｒｒｌ）を遮断する（表４）。 ＰＥＴＢ遺伝子とＰＳＢＡ遺伝子はそれぞれ１つのイントロンを含み、一方、３つのイントロンはｒｒｌに存在する。 ＰＥＴＢイントロンを除く５つのイントロンは全て、緑色植物ｃＰＤＮＡ中の以前に報告されたイントロンと位置的および構造的に相同である（表５）。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓｐｓｂａイントロンの同族体はＰｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍとＣｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓに存在するが，三つのｒｒｌイントロンの同族体は緑色植物のより大きな多様性に見られる。 これらの相同イントロンはUTC系統で同定されていることを考えると、UTC藻類の最後の共通祖先からの垂直継承によって継承されている可能性があるが、LAGLIDADGまたはGIY-YIGファミリーのホーミングエンドヌクレアーゼをコードする可能性があるという発見（表4）は、それらが水平転送によって獲得された可能性を排除することはできない。 Pseudendoclonium cpDNAの16グループIイントロンのほとんどは、他の葉緑体ゲノムの同一の同族部位に相同体を持っていないが、Oltmannsiellopsis cpDNAからの不在と一緒にそれらの密接な構造 GenBankデータベースに対するOltmannsiellopsis petBイントロン配列のBlast検索は、他の生物における相同イントロンを検出することができなかったことに注意してください。
ゲノム構造と遺伝子分割
Oltmannsiellopsis cpDNAの単一コピー領域内での遺伝子分割のパターンは、Mesostigma、Nephroselmisおよびstreptophyte cpdnaで観察された先祖の分割パターンとは実質的に異なる（図1）。 OltmannsiellopsisのSC1領域に見られる30の遺伝子の大部分は、典型的には先祖のLSC領域に見られるが、SC2領域は先祖のSSC領域に特徴的な52の遺伝子に加えて、先祖のLSC領域に特徴的な遺伝子が含まれている。 興味深いことに、SC2は、Pseudendoclonium cpDNAのSSC領域に転送されている12の14LSC遺伝子を含む。 Oltmannsiellopsis SC2に相同体を持たない二つの例外的なPseudendoclonium遺伝子はtrnH（gug）とtrnL（caa）です; trnH（gug）遺伝子はOltmannsiellopsisのSC1領域に存在するが、trnL（caa）はOltmannsiellopsis cpDNAから失われている。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓ単一コピー領域の遺伝子含量を考慮すると，これらの領域をそのサイズに従って標識することは不適切であると思われる。 SC1はSC2よりも小さいが、祖先のLSC領域に対応している可能性が高く、SC2は祖先のSSC領域に由来しているようである。
Oltmannsiellopsis cpDNAのIR配列は、Pseudendoclonium cpDNAのIR配列よりも約12kb大きく、rRNAオペロンに見られる遺伝子に加えて五つの遺伝子を含んでいます（図1）。 18,510bpでは、OltmannsiellopsisのIR配列はクラミドモナスのIR配列とサイズが類似している（表1）。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓｃｐｄｎａの両ＩＲ接合は，コード配列が単一コピー領域に展開する遺伝子（ｃｅｍａおよびｆｔｓｈ）を包含する。 Pseudendoclonium IRのように、Oltmannsiellopsis rrna遺伝子はprasinophyteおよびstreptophyte cpdnaのLSCにマップする遺伝子を運ぶ単一のコピー領域に向かって転写されます。 対照的に、rRNAオペロンはNephroselmisと連鎖球菌cpdnaのSSC領域に向かって転写されます。 Ｒｒｎａオペロンの配向は，広範囲にスクランブルされた単一コピー領域のためにクラミドモナスｃｐｄｎａでは確立できず，この配向はＩＲ損失のためにクロレラｃｐｄｎａでは未知のままである。
OltmannsiellopsisとPseudendocloniumがUlvophyceaeの異なる初期の分岐系統を表していることを考慮すると、OltmannsiellopsisとPseudendoclonium cpdnaの四部分構造の顕著な類似性は、非定型遺伝子分割パターンとIRの異常な配向の両方が最早分岐ulvophytesの葉緑体ゲノムの特徴であることを示唆している。 我々のデータは、OltmannsiellopsisとPseudendoclonium cpdnaの最後の共通の祖先のSSC領域は、通常Nephroselmisとstreptoclonium cpdnaのLSC領域で見つかった遺伝子の12を特色にしたが、LSC領域は先祖LSC領域の特徴的な遺伝子 その結果、Pseudendocloniumにつながる系統では、40の追加の遺伝子がOltmannsiellopsis系統でこの領域に移行したのに対し、二つの余分な遺伝子がSSC領域に転送されました。 単一のコピー領域間のこれらの遺伝子の移動の根底にあるメカニズムは不明のままであるが、彼らはおそらく分子内または分子間組換えイベン 以下に報告された保存された遺伝子クラスターの分析は、いくつかの遺伝子がこれらの移行の過程で一緒に転送されたことを明確に示しています。
遺伝子は、クラミドモナスcpDNAの二つの単一コピー領域の間でより広範にシャッフルされている（図1）。 これは、ulvophytesとクロロフィカ緑藻の進化の間に、遺伝子分割の祖先パターンは、Pseudendoclonium様の組織がOltmannsiellopsis様の組織に進化して、最終的にクラミドモナスで観察された遺伝子の大規模なスクランブリングにつながる、連続したステップで破壊されたことを想定することができます。 クロレラゲノムからIRが存在しないことを考えると、rrnaオペロンの転写方向が変化したかどうか、遺伝子がトレボウキシオフィトの進化の間にあるゲノム領域から別の領域に再配置されたかどうかを確認することは非常に困難である。 しかし、クロレラcpDNAの場合、祖先のSSC領域に通常見られるすべての遺伝子は、3つの遺伝子（psaC、ycf20およびtrnL（uag））を除いて、クラスター化されたままである（図1）。 異なるtrebouxiophyte系統からIR含有葉緑体ゲノムの調査は、OltmannsiellopsisとPseudendoclonium cpdnaの両方でここで同定された遺伝子再配置のいくつかは、UTC藻類の共通の祖先に由来するかどうか
遺伝子クラスタリング
Oltmannsiellopsis cpDNAの全体的な遺伝子組織は、そのPseudendocloniumホモログのそれとは大きく異なり、驚くべきことに、クロレラcpDNAのそれによく似ています（図2）。 OltmannsiellopsisとChlorella cpdnaは、合計65個の遺伝子を含む共線配列の21ブロックを共有していますが、OltmannsiellopsisとPseudendoclonium cpdnaは共通して18個のブロックを持っています55個の遺伝子を含む。 OltmannsiellopsisおよびChlamydomonasゲノムでは、19個の遺伝子を含むブロックのみが保存されています。
遺伝子クラスターはOltmannsiellopsisと他のUTC藻類cpdnaとの間で共有されている。 共有クラスターは、緑と赤のボックスの交互のシリーズとしてOltmannsiellopsis遺伝子マップ上に示されています。 保存されたクラスターの外側に位置する遺伝子は灰色で示されています。 Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ，Ｐｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍ，Ｃｈｌｏｒｅｌｌａから欠落している遺伝子はベージュで表される。 IRの程度およびrRNA遺伝子の転写方向は矢印で示される。 マップ外の遺伝子は時計回りに転写されます。
MesostigmaとNephroselmis cpdnaによって共有される24の祖先遺伝子クラスターの多くは、UTC緑藻の進化中に破壊されている。 本研究では、我々は19の祖先クラスターを分析してきました; 残りの5つの遺伝子は、それらに含まれる遺伝子がUTC cPDNAから失われているため、調査できませんでした（図3）。 19個のクラスターはすべて、UTC藻類の進化の間に少なくとも一つの機会に壊れています。 わずか12のブレークポイントで、クロレラcpDNAは先祖のクラスターの最強の保存を表示します。 20ブレークポイントでは、Oltmannsiellopsis cpDNAはクロレラとPseudendoclonium（24ブレークポイント）cpdnaの間の中央の位置を占め、クラミドモナスcpDNAは倍のブレークポイント（42ブレークポイント）を明らかにするのに対し、Oltmannsiellopsis cpDNAはクロレラとPseudendoclonium（24ブレークポイント）cpdnaの間の中央の位置を占めている。 Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ，OlｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓおよびＰｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍゲノムは，クロレラｃｐｄｎａに欠けている五つのブレークポイントを共有している。 これらのブレークポイントとは別に、PseudendocloniumとChlamydomonas cpdnaはOltmannsiellopsisとChlorella cpdnaには存在しない六つのブレークポイントを共有している。 OltmannsiellopsisおよびChlamydomonasゲノムに排他的なブレークポイントはありません。
UTC藻類のcpdnaにおける断片化された祖先遺伝子クラスター。 示されたクラスターは、MesostigmaとNephroselmis cpdnaの両方に見られます。 Rpl22はMesostigma cpDNA（rps19とrps3の間）にのみ存在するため、大きなリボソームタンパク質クラスターでは表現されていないことに注意してください。 断片化の部位は、クラミドモナス、充填された矢じり、Pseudendoclonium、ダークグレーの矢じり、Oltmannsiellopsis、ライトグレーの矢じり、およびクロレラ、オープン矢じり：クラミドモナス、充填された矢じり、クラミドモナス、ダークグレーの矢じり、クラミドモナス、ダークグレーの矢じり、クラミドモナス、ダークグレーの矢じり、クラミドモナス、ダークグレーの矢じりで示される。 Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ，Ｐｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍ，OlｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓおよびＣｈｌｏｒｅｌｌａから欠落している遺伝子は，それぞれ正方形，円，アスタリスクおよび二重短剣で示される。 遺伝子極性は示されていない。
二つの先祖のクラスターは、Ulvophyceaeに固有のブレークポイントを表示します。 ほぼ普遍的に保存されたpsbB-psbT-psbN-psbHクラスターは、oltmannsiellopsis cpDNAで、それぞれの遺伝子のペアをコードする二つの別々の部分を作成し、psbNの5’末端に断片化されました。 Psbnの反対側に追加のブレークポイントを導入すると、遺伝子順序の変化なしに、psbB、psbTおよびpsbHをコードするDNA鎖上のこの遺伝子の再配置につながった。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓ系統では，先祖のｒｒｎａオペロンに三つのブレークポイントが発生し，ｔｒｎａ（ｕｇｃ）とｔｒｎｉ（ｇａｕ）遺伝子の順序が逆転した新しい転写ユニットを生成した。 Trebouxiophyte Chlorella ellipsoideaとulvophyte Codium fragileのcpdnaについて再配置されたrRNAオペロンが報告されているが、これらの場合、先祖のrrnaオペロンは異なるプロモーターから転写される別々の断片に分割された。
由来遺伝子クラスターに関しては、Oltmannsiellopsis cpDNAはクロレラcpDNAに最もよく似ています（図4）。 派生したクラスターは、ここでは、二つ以上のUTCゲノムにおいて同じ相対極性を有するが、MesostigmaおよびNephroselmis cpdnaには存在しない遺伝子のグループとして定義される。 オルトマンシエロプシスｃｐｄｎａはクロレラ同族体を持つ五つの由来クラスターを共有しているが，プセデンドクロニウムｃｐｄｎａは三つのクラスターを共有している。 OlｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓとＰｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍ ｃｐｄｎａに共通する四つのクラスターのうち，Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓｃｐｄｎａには見いだされなかった。
UTC藻類のcpdna間で共有される由来遺伝子クラスター。 満たされた/開いた箱は集りの存在/不在を表す。 遺伝子極性は示されていない。
我々は、50の反転の最小値は、他のクロロフィートゲノム（表6）のそれにOltmannsiellopsis cpDNAの遺伝子組織を変換するために必要とされると推定しました。 陸上植物および密接に関連するクラミドモナドからのｃｐｄｎａの比較解析は，反転が緑色植物における葉緑体ゲノム再配列の支配的なメカニズムを表すことを示唆している。 しかし、転置はCampanulaceaeとsubcover cpdnaで観察された再配列のいくつかを説明するために提案されているように、反転は、クロロフィルcpdnaの遺伝子順序の変化を引き起こ
反復要素
Oltmannsiellopsis cpDNAには多数のSDR要素があります(図5)。 これらの要素は主に遺伝子間スペーサーおよびイントロン内に存在するが、いくつかのコピーは、cemA、chlB、chlL、chlN、ftsH、rpoB、rpoc1およびrpoc2のコード領域を移入する。 最も豊富な要素は、それらの一次配列に基づいて、重複しない繰り返し単位（AからE）の五つのグループに分類することができる（表7）。 サイズは7-21bpから及び、コピー数は17から250以上まで変わる。 繰り返し単位AまたはBの配列は、ほとんどの場合、同じ配列の逆補数にリンクされているため、2つのAまたは2つのTのループを持つ完全な回文または推定されるステムループ構造を形成します(図6)。 いくつかの例では、茎ループ構造の回文または茎部分は、より頻度の低い反復の追加によって拡張される。 さらに、繰り返し単位AとBのいくつかのコピーは、回文またはステムループ構造を特徴とするより一般的な配列のおそらく縮退したバージョンを表す、独 繰り返し単位Cは可変的なサイズのループが付いている茎ループ構造を、形作ることができる。 反復単位ＤおよびＥは、ステムループ構造に関連付けられていないが、それらは、他の反復要素の近傍に存在する。
Oltmannsiellopsis cpDNAにおけるSDR要素の位置。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓｃｐｄｎａ配列をＰｉｐｍａｋｅｒを用いてそれ自体に対して整列させた。 Sdrを含む領域は、ドットのクラスターとして識別することができます。 整列された領域間の類似性は、平均同一性パーセント（５ ０％同一性と１ ０ ０％同一性との間）として示される。 遺伝子およびそれらの極性は水平矢印で示され、コード配列は充填されたボックスで表される。
Oltmannsiellopsis cpDNAにおけるSDRユニットAおよびBによって形成される予測された二次構造。
Oltmannsiellopsis cpDNAのSdrは、他のUTC cpdnaに存在するSdrにはよく似ていません。 Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓ反復はＧ＋Ｃに偏っているが，クロレラ反復はＡ＋Ｔに偏っている。 PseudendocloniumとChlamydomonas SdrもG+Cに富んでいるが、それらの配列はOltmannsiellopsis反復と明らかな類似点を共有していない。 異なるUTCゲノムから派生したSdr間の配列の類似性のこの欠如は、SdrがUTC系統で独立して獲得されていることを示唆している。 しかし、Sdrが垂直方向に伝達されたという対立仮説は、これらの要素が非常に速いペースで進化すると仮定すると除外することはできません。 これら二つの仮説を区別するためには、密接に関連するUTC分類群からのcpdnaの研究が必要である。
Sdrは、おそらくutc系統の葉緑体ゲノムの改造に大きな役割を果たしている。 UTC藻類ゲノムにおけるSdrの存在量と遺伝子再配列の程度との間に相関が以前に観察されている。 この相関は，Olｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓ葉緑体ゲノム配列の付加と一致した。 Oltmannsiellopsis cpDNAにおけるSDR要素の存在量は、Pseudendoclonium cpDNAで観察されたものと同等であり（図7）、遺伝子は両方のゲノムにおいて同様の程度に再配列されている（表6）。 緑色植物cpdnaのsdrは、非同族組換えイベントのホットスポットとして機能し、反転と転位につながる可能性があります。
REPuterによって明らかにされたOltmannsiellopsisおよび他のクロロフィルcpdna中のSDR元素の密度。 同一の配列を持つ反復要素は、ゲノムの円形表現上に接続されている。 30bpおよび45bpより大きい繰り返しは上および底パネルで、それぞれ示されている。 これらの解析のために，Ｉｒ配列の一つのコピーをＮｅｐｈｒｏｓｅｌｍｉｓ，Ｐｓｅｕｄｅｎｄｏｃｌｏｎｉｕｍ，OlｔｍａｎｎｓｉｅｌｌｏｐｓｉｓおよびＣｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓゲノムから削除した。